§ 5. Механические воздействия на изоляцию
Воздействия в процессе изготовления и монтажа обмотки
Изоляция так же, как и конструкционные материалы, не должна подвергаться механическим напряжениям а или деформациям е, превышающим предельно допустимые. Критерием при нахождении этих пределов обычно является электрическая прочность, поскольку потеря электрической прочности, кратковременной или длительной, под действием механического напряжения может происходить существенно раньше, чем разрушение материала.
В связи со сложностью определения предельных значений о для разных видов нагрузок (изгиб, кручение, сжатие, растяжение) в практике используется предельная величина деформации екр (обычно изгиба или растяжения), поскольку ее проще установить экспериментально в широком диапазоне температур. Одним из наиболее распространенных способов оценки еКр является определение «критического прогиба», приводящего к электрическому пробою изоляции, подробное описание которого приведено в § 9.
Для жестких систем изоляции, например слюдотерм, используемых в стержневых обмотках, екр=10--3. Для изоляции катушечных обмоток при повышенной температуре еКр в 2—3 раза больше. Перечислим технологические операции, в процессе которых возможно появление опасных деформаций.
Корпусная изоляция.
а) Хранение и транспортировка. При хранении возможны изгибающие усилия в лобовых частях, такие же нагрузки возможны в пазовой и лобовой частях стержня при неправильной транспортировке.
б) Укладка обмотки. В стержневой обмотке при соединении наконечников стержней верхнего и нижнего рядов обмотки лобовые части могут подвергаться изгибу и кручению.
Предельные допустимые отклонения расстояний между наконечниками1 х и у (рис. 13) определяются из расчета, чтобы вызываемая совмещением наконечников относительная деформация не превышала екр- В катушечной обмотке операция подъема шага для укладки последних катушек и отклонение геометрической формы катушки от чертежной :могут привести к значительным изгибам и кручениям в зоне вылета и в пазовой части.
Это определяет особые технологические требования к изоляции — в нагретом состоянии она должна выдерживать (сохранять электрическую прочность) деформации, в несколько раз большие, чем изоляция стержней, сохраняя свою монолитность и адгезию к проводникам.
Рис. 13
в) Заклиновка в пазовой части. Для всех видов обмоток особую опасность представляют сжимающие усилия, действующие на узкие грани стержня (катушки) при его заклиновке. Опыт показал, что такая нагрузка чаще всего приводит к повреждению изоляции верхней (подклиновой) грани, а при неровности сердечника может повреждаться нижняя грань нижнего стержня,- Резкое снижение электрической прочности при сжатии стержня начинается при относительно больших нагрузках— около 15 МПа, однако из-за неровности стержней, клиньев и прокладок такие и даже большие напряжения могут возникнуть при гораздо меньшей средней нагрузке.
г) Технологические напряжения. Образование изоляции как элемента в конструкции готового стержня происходит во время полимеризации — отверждения связующего при повышенной температуре Готв= (140 ... 170° С). При последующем охлаждении из-за различия коэффициентов расширения меди и изоляции (ам>аи) в последней возникают сжимающие напряжения, направленные вдоль изоляции Си = ЕИ(Т0ГВ — Г0)(ам — аи). Эти напряжения могут привести к, нарушению монолитности стержня — отслоению изоляции от проводников.
д) Структурные дефекты. В композиционной структуре многослойной высоковольтной изоляции компонентой, определяющей электрическую прочность, являются слои слюдо- бумаги — слюдинита или слюдопласта. Если в процессе изготовления ленты происходит нарушение сплошности слюдобумаги (разрывы, складки и т. п.), прочность изоляции резко понижается. Такие дефекты, называемые структурными, образуются при нарушении параметров технологи
ческого процесса — плотности намотки ленты, температуры опрессовки и выпечки, неравномерности подачи давления и др. К структурным дефектам может быть отнесено обеднение изоляции связующим, приводящее к резкому усилению внутренних ч. р., которое может быть вызвано перепрессовкой изоляции или недостаточной ее пропиткой.
Витковая изоляция. Формовка катушек (переход из дисковой в шаблонную форму), опрессовка и укладочные операции вызывают растягивающие и сжимающие деформации витковой изоляции и могут привести к резкому снижению ее электрической прочности. Хотя рабочее напряжение на витке обычно ниже минимума кривой Пашена (320 Bmax) и, следовательно, даже сквозной дефект — отверстие не пробивается при Uраб, тем не менее повреждение витковой изоляции может привести к ее пробою при перенапряжениях.
Воздействия в процессе эксплуатации
Электродинамические усилия. Взаимодействие тока в стержне (секции) обмотки с пронизывающим его магнитным потоком создает усилие, пульсирующее с частотой 100 Гц. Для пазовой части, где действует в основном поток рассеяния, номинальное усилие определяется формулой
(И)
где I — сила тока в стержне, А; ЬП — ширина паза, м; F — усилие на единицу длины, Н/м; F сравнительно невелико (не выше 100+3 Н/м у генераторов с косвенным охлаждением и 4* 103 Н/м у генераторов с водяным охлаждением обмотки) и не может вызвать прямого механического повреждения изоляции. Однако при неудачной конструкции или исполнении крепления стержней именно эти силы приводят к вибрации и очень тяжелым повреждениям — пазовым разрядам (§ 3), нарушению герметичности полых проводников и увлажнению и, наконец, истиранию изоляции. Усилия резко возрастают (на 1—2 порядка) при коротких замыканиях, но и в этом случае ударная прочность изоляции обычно значительно выше максимальной импульсной силы и повреждения изоляции и обмотки происходят только при нарушении ее крепления.
Термомеханические напряжения (т. м. н.) возникают вследствие тепловых перемещений проводников (меди) изоляции и сердечника и зависят от различия их температурных коэффициентов линейного расширения и температур.
Для наиболее часто встречающихся условий — слабой связи между изоляцией и статором и относительно малого
модуля упругости изоляции (Ен С Е„) для оценки линейных деформаций можно использовать формулу
(12)
где ам=1,6*10“5 и аи=1,2-10~5— коэффициенты линейного расширения меди и изоляции;Тм~ 130° С и Тп~ 100°С — максимальные температуры меди и внешнего слоя изоляции; Т0 — температура окружающей среды. Оценка по формуле (12) показывает, что вызываемая т. м. н. деформация ен < 1*10-3, т. е. не достигает разрушающего изоляцию уровня. Однако для машин, работающих в маневренных режимах с большим числом пусков, например гидрогенераторов, эти напряжения приобретают циклический характер и могут вызывать постепенное разрушение. Особенно опасны т. м. н. для термопластичной изоляции, у которой возможно появление остаточной деформации при рабочей температуре. Повреждения, вызванные т. м. н., явились одной из основных причин замены битумного связующего в изоляции на термореактивное.
Если между сердечником и поверхностью изоляции образуется хорошая адгезия, как это может произойти в системе изоляции, пропитываемой вместе с сердечником, то большая часть общего удлинения проводников в пазу воспринимается изоляцией в зоне вылета обмотки, деформация изоляции, зависящая в этом случае от соотношения длин вылета и пазовой части, может достичь критических значений.
